2018年7月，中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“光機(jī)所”）完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制，這是目前世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。通俗來說，反射鏡就像一只“大眼睛”，如果把它裝到天文望遠(yuǎn)鏡里，將極大提升望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

　　這項(xiàng)成果標(biāo)志我國光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國際先進(jìn)水平，并為我國大口徑光電裝備跨越升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從粗糙的鏡坯到精細(xì)的鏡面，要經(jīng)過怎樣的制作過程？造大口徑反射鏡究竟難在哪里？科研人員如何“十年磨一鏡”？本期科技能見度，就讓我們一起來探尋這只“大眼睛”的不同尋常之處。

　　自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來，鏡口徑403米！世界最無論是從地面仰望星空，還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇，想要使光學(xué)系統(tǒng)的觀測(cè)能力不斷提升，都離不開一個(gè)關(guān)鍵——口徑。

　　在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，能夠分辨兩個(gè)相鄰物像的極限分辨角越小，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率就越高，而極限分辨角由光的波長(zhǎng)和主反射鏡的直徑?jīng)Q定。

　　著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)到2.4米，最遠(yuǎn)已可觀測(cè)到距離地球134億光年的宇宙深處。AEOS先進(jìn)光電地基望遠(yuǎn)鏡，口徑為3.67米，可探測(cè)近地軌道上0.1米大小的碎片。鎖眼12（KH—12）衛(wèi)星相機(jī)，口徑超過3米，對(duì)地分辨率可達(dá)0.1米，這也是目前人類可以獲得的分辨率最高的空間對(duì)地遙感數(shù)據(jù)。

　　大口徑光學(xué)反射鏡是高分辨率空間對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)和天文觀測(cè)系統(tǒng)的核心元件，其制造技術(shù)水平是衡量一個(gè)國家高性能光學(xué)系統(tǒng)研制水平的重要標(biāo)志。

　　記者從光機(jī)所了解到，現(xiàn)代大口徑光學(xué)系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，其中主鏡口徑直接決定了系統(tǒng)的分辨能力，同時(shí)也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關(guān)鍵；當(dāng)口徑超過一定量級(jí)時(shí)，會(huì)對(duì)光學(xué)材料和光學(xué)加工帶來巨大挑戰(zhàn)。

　　為保證望遠(yuǎn)鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面形精度有著苛刻的要求。對(duì)于大口徑光學(xué)系統(tǒng)而言，這種精度要求不會(huì)隨著口徑的增大而降低。

　　以可見光波段觀測(cè)為例，面形精度要求至少在1/30以上波長(zhǎng)，可理解為光滑的鏡面起伏不超過20納米。這就好比將4米量級(jí)的反射鏡放大到市大小的面積上進(jìn)行土地平整，其中的難中之難，則是土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度，對(duì)于反射鏡鏡坯材料和光學(xué)加工技術(shù)都提出了苛刻要求。

　　按制作流程，大口徑光學(xué)反射鏡的制造難度主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學(xué)加工等制造工藝環(huán)節(jié)。大口徑單體碳化硅反射

　　對(duì)于反射鏡鏡坯而言，反射鏡材料的比剛度和熱穩(wěn)定性必須盡可能大，這樣隨著口徑的增大，材料的剛性仍然可以保證面形的穩(wěn)定，受熱環(huán)境影響較小，并且有利于減輕系統(tǒng)重量。

　　制造碳化硅反射鏡的第一步，就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米級(jí)碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗，要想能夠?qū)崿F(xiàn)工程化應(yīng)用，必須達(dá)到并保持極高的面形精度，這種高精度面形的保持正是依賴于反射鏡“強(qiáng)健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。

　　國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹?shù)?。在各種反射鏡基體材料中，微晶玻璃使用最多。目前，最大口徑可達(dá)到單體8米、拼接12米以上。但這一技術(shù)被國外壟斷，口徑超過2米便很難引進(jìn)。

　　碳化硅的比剛度和熱穩(wěn)定性在各種材料中最優(yōu)，這使得在實(shí)現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量和更優(yōu)的熱穩(wěn)定性。因此，碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者。不過，碳化硅雖然性能優(yōu)良，但存在的技術(shù)障礙也較大，

　　在此情況下，中科院光機(jī)所歷經(jīng)10余年攻關(guān)，于2016年研制出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、世界上最大口徑的4.03米碳化硅反射鏡坯。

　　盡管造出了鏡坯，但后面挑戰(zhàn)仍十分艱巨：一方面，反射鏡面積大幅提升，可碳化硅材料本身硬度極高，常見材料中硬度僅次于金剛石，將其磨削拋光至納米表面精度難度極大。光機(jī)所通過采用“應(yīng)力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)非球面的制造精度及提升加工效率。另一方面，由于碳化硅是一種陶瓷材料，在光學(xué)粗拋光后表面有細(xì)微缺陷、影響反射率等光學(xué)性能，需要通過后續(xù)工藝改進(jìn)表面特性。例如，當(dāng)碳化硅鏡坯完成粗拋光之后，由于陶瓷材料表面的細(xì)小缺陷，反射鏡表面產(chǎn)生散射，從而降低了光學(xué)性能。工程人員采用等離子輔助低溫物理氣相沉積方法，通過在碳化硅反射鏡表面鍍制和反射鏡基底結(jié)構(gòu)相近的硅材料，使表面缺陷得到改善；然后在改性層基礎(chǔ)上進(jìn)行精拋光，這種方式可大幅改善光線在反射鏡表面的散射。最終，在精拋光的反射面鍍膜，可使反射鏡的反射率達(dá)95%以上，從而達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求。

　　而與加工技術(shù)同等重要的是反射鏡檢測(cè)技術(shù)，這也直接決定